CN100466319C

CN100466319C - 磁致伸缩执行器

Info

Publication number: CN100466319C
Application number: CNB2005100563695A
Authority: CN
Inventors: 大桥芳雄
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP4007333B2; US20070194636A1; JP2005268629A; DE102005012646A1; CN1670977A; US7456530B2; US20050212364A1

Abstract

本发明涉及磁致伸缩执行器，其具有：具有磁致伸缩性的磁致伸缩元件；在磁致伸缩元件位移方向上运动的驱动棒，所述驱动棒与磁致伸缩元件连接并由铁磁体制成；向磁致伸缩元件施加磁场的电磁线圈，所述电磁线圈布置在磁致伸缩元件周围；容纳磁致伸缩元件和电磁线圈的外壳。在外壳中，在所容纳的磁致伸缩元件周围布置向磁致伸缩元件施加静态偏磁场的永久磁铁以及包括铁磁体的管状壳体，并且，驱动棒布置在外壳中，且具有间隔。在驱动棒和外壳之间产生的磁引力向磁致伸缩元件施加预应力。

Description

磁致伸缩执行器

相关专利申请的引用

本发明包含与2004年3月19日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2004-080967有关的主题，该专利申请的全部内容在此引作参考。

技术领域

本发明涉及磁致伸缩执行器。更具体地，本发明涉及通过利用磁致伸缩过程而产生位移或振动的磁致伸缩执行器。

背景技术

对于产生位移或振动的执行器，已经知道通过向使用压电材料的位移产生元件施加控制电压而产生位移的压电执行器。也已经知道通过向使用磁致伸缩材料的位移产生元件(以下称作“磁致伸缩元件”)施加磁场而产生位移的磁致伸缩执行器。

在致伸缩执行器中使用能通过提供控制电流而容易控制磁场的磁路。向磁致伸缩元件施加磁路所产生的磁场允许控制磁致伸缩元件的位移。对于磁致伸缩材料，经常使用Ni磁致伸缩合金、Fe-Al磁致伸缩合金、铁氧体磁致伸缩合金。进一步地，已经为商业用途开发稀土金属和过渡金属磁致伸缩超级合金，所述超级合金产生与这些磁致伸缩材料相比而言非常大数量级的位移。

磁致伸缩元件基于所施加磁场的强度而在其伸长或压缩方向上产生位移，而不是在磁场方向上产生位移。因而，例如，对在伸长方向上产生位移的磁致伸缩元件施加初始位移，使得事先对该元件施加静态偏磁场，并且，磁致伸缩元件只根据偏磁场所作用的量级伸长。在事先施加此静态偏磁场的条件下，如果磁路产生的磁场施加到磁致伸缩元件上，该元件就基于磁路产生的磁场，在其伸长或压缩方向上从初始位移条件进一步地位移。换句话说，磁致伸缩元件基于控制电流而产生位移。可替换地，如果磁致伸缩元件在其压缩方向上产生位移，就事先对磁致伸缩元件施加静态偏磁场，从而，通过只把磁致伸缩元件根据偏磁场所作用的量级压缩，可向磁致伸缩元件作用任何的初始位移，从而，允许基于控制电流而在磁致伸缩元件中产生额外的位移。通过在磁路中布置任何永久磁铁，可执行向磁致伸缩元件施加静态偏磁场。即，在磁路中布置永久磁铁导致永久磁铁产生的磁场施加到磁致伸缩元件上，作为静态偏磁场。

如果事先向磁致伸缩元件预施加外部应力(以下称作“预应力”)，与不施加预应力的情形相比较，当向该元件施加磁场时，产生更大的位移。因而，经常向使用任何磁致伸缩元件的磁致伸缩执行器施加任何预应力，以增加该元件的位移。预应力取决于构成磁致伸缩元件的材料。例如，在Ni磁致伸缩合金中，在其压缩方向上发生位移，从而，施加初始拉应力，作为预应力，由此获得更大的位移。另一方面，在Fe-Al磁致伸缩合金、铁氧体磁致伸缩合金、以及稀土金属和过渡金属磁致伸缩超级合金中的每一种中，在其伸长方向上发生位移，从而，施加初始压缩应力，作为预应力，由此获得更大的位移。

如图1所示，日本专利申请出版号H07-15053公布一种磁致伸缩执行器，包括:由磁致伸缩合金制成的棒状磁致伸缩元件31；电磁线圈32，该线圈布置在磁致伸缩元件31周围，用于向磁致伸缩元件31施加控制磁场；驱动棒33，驱动棒33连接到磁致伸缩元件31的一端，以传递磁致伸缩执行器的任何位移输出；连接到磁致伸缩元件31另一端的固定基板34；管状壳体35，管状壳体35连接到固定基板34，以便布置在电磁线圈32周围。永久磁铁36连接到固定基板34。永久磁铁36允许向磁致伸缩元件31施加偏磁场。

驱动棒33和圆柱形壳体35通过柔性连接部件37而互相连接。柔性连接部件37连接到驱动棒33和管状壳体35，从而，柔性连接部件37在磁致伸缩元件的驱动方向上是能变形的，但在与驱动方向正交的方向上固态的。此连接部件37具有以下配置:它对磁致伸缩元件31的位移输出几乎没有影响，由此实现减少磁致伸缩元件31位移输出损失的设计。

在以上磁致伸缩执行器中，如图1所示，为了允许磁致伸缩执行器获得更大的位移，事先已经折弯连接部件37，从而允许连接部件37的恢复力向磁致伸缩元件31施加预应力。然而，如果当使用此恢复力时位移周期太短，就难以随着磁致伸缩元件31的位移而恢复连接部件37。这导致不稳定地向磁致伸缩元件31施加预应力。进一步地，不稳定地向磁致伸缩元件31施加预应力则不会获得与当控制电流流经电磁线圈32时的电流一致的位移输出。

另外，永久磁铁36连接到固定基板34，从而，施加到磁致伸缩元件31上的偏磁场在磁致伸缩元件31的固定基板34一侧变得更强，而在其驱动棒33一侧变得更弱。这阻碍向磁致伸缩元件31施加一致的偏磁场。

发明内容

希望提供一种能获得更大位移输出且同时减少位移输出损失并易于以相对较低成本减小尺寸的磁致伸缩执行器。

根据本发明的实施例，提供一种具有位移产生装置的磁致伸缩执行器，所述位移产生装置配置为产生由具有磁致伸缩性的磁性材料而导致的位移。所述执行器还具有移动装置，所述移动装置配置为在位移产生装置的位移方向上移动。移动装置与位移产生装置连接，并由铁磁体制成。所述执行器进一步具有配置为向位移产生装置施加磁场的磁场产生装置。磁场产生装置布置在位移产生装置周围。所述执行器另外还具有配置为容纳位移产生装置和磁场产生装置的容纳装置。

在容纳装置中，在容纳的位移产生装置周围布置磁路形成部件，该部件包括铁磁体和用于向位移产生装置施加静态偏磁场的永久磁铁。移动装置被布置为与容纳装置具有间隔，由此允许在移动装置和容纳装置之间产生的磁引力向位移产生装置施加预应力。

具有柔性的密封部件密封移动装置和容纳装置之间的间隔。在容纳装置中，在位移产生装置的位移方向上布置多个永久磁铁，所述多个永久磁铁之间具有间隔。

根据本发明的另一实施例，还提供一种具有位移产生装置的磁致伸缩执行器，所述位移产生装置配置为产生由具有磁致伸缩性的磁性材料而导致的位移。所述执行器还具有移动部件，所述移动部件配置为在位移产生装置的位移方向上移动。移动部件与位移产生装置连接，并由铁磁体制成。所述执行器进一步具有配置为向位移产生装置施加磁场的磁场产生装置。磁场产生装置布置在位移产生装置周围。所述执行器另外还具有配置为容纳位移产生装置和移动部件的容纳装置。

在容纳装置中，在容纳的位移产生装置周围布置磁路形成部件，该部件包括铁磁体和用于向位移产生装置施加静态偏磁场的永久磁铁。移动部件被布置为与容纳装置具有间隔，由此允许在移动部件和容纳装置之间产生的磁引力向位移产生装置施加预应力。

本说明书的结论部分特别指出并直接要求对本发明主题的权利。然而，本领域中技术人员通过结合附图来阅读本说明书的其余部分，能最好地理解本发明的组织和操作方法、以及本发明进一步的优点和目的，在附图中，相同的参考符号指相同的元件。

根据本发明的实施例，允许在移动部件和容纳装置之间产生的磁引力向位移产生装置施加预应力。由于没有与用于支撑移动部件的轴承之间的摩擦，因此，有可能显著减少磁致伸缩执行器的位移输出损失。进一步地，借助磁引力，向位移产生装置施加任何预应力，从而，即使在位移产生装置中位移周期太短，也有可能保持向位移产生装置施加预应力，从而，获得合适的位移输出。由于不必设置支撑移动部件的轴承、连接移动部件与外壳的连接部件、向位移产生装置施加预应力的弹簧等，因此，有可能使磁致伸缩执行器容易以相对较低的成本减小尺寸。

具有柔性的密封部件密封移动装置和容纳装置之间的间隔。这避免外部物体***到磁致伸缩执行器中而不利地影响磁致伸缩执行器的操作。密封部件具有柔性，从而，密封部件有可能减少磁致伸缩执行器的位移输出损失。

进一步地，在壳体中，在位移产生装置的位移方向上布置多个永久磁铁，所述多个永久磁铁之间具有间隔。因而，有可能形成更均匀地施加到位移产生装置上的偏磁场。

附图说明

图1为根据相关技术的磁致伸缩执行器的配置的概念性横截面视图；

图2为示出根据本发明第一实施例的磁致伸缩执行器的配置的概念性横截面视图；

图3示出第一实施例中的磁通线；

图4为示出根据本发明第二实施例的磁致伸缩执行器的配置的概念性横截面视图；

图5为示出根据本发明第三实施例的磁致伸缩执行器的配置的概念性横截面视图；

图6示出第三实施例中的磁通线；以及

图7为示出根据本发明第四实施例的磁致伸缩执行器的配置的概念性横截面视图。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明的实施例。图2示出根据本发明第一实施例的磁致伸缩执行器10a的配置。磁致伸缩执行器10a具有:棒状磁致伸缩元件11，此元件作为在伸长方向上产生位移的位移产生装置；布置在磁致伸缩元件11周围的电磁线圈12，此线圈作为向磁致伸缩元件11施加磁场的磁场产生装置；驱动棒13，驱动棒13作为通过与磁致伸缩元件11的一端连接而传递磁致伸缩执行器10a的位移输出的移动部件；容纳磁致伸缩元件11和电磁线圈12的外壳14。

外壳14具有固定基板141、永久磁铁142和管状壳体143。磁致伸缩元件11的另一端连接到固定基板141，并且，固定基板141支撑磁致伸缩元件11。永久磁铁142和管状壳体143布置在容纳的磁致伸缩元件11周围，其中，永久磁铁142向磁致伸缩元件11施加静态偏磁场，管状壳体143作为磁路形成部件。管状壳体143布置在驱动棒13以及永久磁铁142的固定基板141的两侧。通过用铁磁体制造，管状壳体143可有效地向磁致伸缩元件11施加静态偏磁场。同样通过用铁磁体制造，固定基板141也可进一步有效地向磁致伸缩元件11施加静态偏磁场。

驱动棒13被布置为与外壳14具有间隔，并且，驱动棒13也由铁磁体制成，从而，棒13可被永久磁铁142吸引。这允许在驱动棒13和外壳14之间产生的磁引力向配置有驱动棒13的磁致伸缩元件11施加预应力。

图3示出在第一实施例中的磁通线。从永久磁铁142开始的磁通线穿过一个管状壳体143，经间隔15、驱动棒13、固定基板141以及另一管状壳体143，而到达永久磁铁142。这允许在驱动棒13和外壳14之间产生磁引力，从而，借助该力向磁致伸缩元件11施加预应力。磁通线的一部分也穿过一个管状壳体143，经间隔15、驱动棒13、磁致伸缩元件11、固定基板141以及另一管状壳体143，而到达永久磁铁142。因而，这允许向磁致伸缩元件11施加静态偏磁场。

在如此配置的磁致伸缩执行器10a中，没有支撑驱动棒的轴承，从而，不发生轴承与驱动棒13的任何摩擦，由此显著减少磁致伸缩执行器10a的位移输出损失。进一步地，通过磁引力向磁致伸缩元件11施加预应力，从而，即使磁致伸缩元件11的位移周期太短，执行器10a也保持稳定地向磁致伸缩元件11施加预应力，由此根据提供给电磁线圈12的控制电流而获得合适的位移输出。永久磁铁142***到两个管状壳体143之间。通过比较永久磁铁布置在固定基板141位置上的情形，此实施例允许静态偏磁场均匀地施加到磁致伸缩元件11上。进一步地，由于不必设置支撑移动部件的轴承、连接移动部件与外壳的连接部件、向位移产生装置施加预应力的弹簧等，因此，有可能使磁致伸缩执行器容易以相对较低的成本减小尺寸。

然而，在第一实施例中，间隔15布置在驱动棒13和外壳14之间，从而，外部物体可从此间隔***到里面。以下描述防止外部物体***到内部的磁致伸缩执行器10b。

图4示出根据本发明第二实施例的磁致伸缩执行器的配置。在图4中，与图1中所示相应的相同部件使用相同的符号，并省略其描述。

在磁致伸缩执行器10b的第二实施例中，密封部件16***到第一实施例的间隔15中。对于密封部件16，为了防止磁致伸缩执行器10b所产生的位移输出的损失，使用具有柔性的低硬度材料，如硅基树脂或橡胶基树脂。对于密封部件16，可使用磁通等来密封间隔15。因而，根据第二实施例，密封间隔15，以防止外部物体***到磁致伸缩执行器的内部，由此避免外部物体***到内部而不利地影响磁致伸缩执行器的操作。

以下描述本发明第三实施例的磁致伸缩执行器。第三实施例指磁致伸缩执行器10c，与以上第一和第二实施例的情形相比，磁致伸缩执行器10c有可能使施加到磁致伸缩元件11上的预应力更均匀。

图5示出根据本发明第三实施例的磁致伸缩执行器的配置。在图5中，与图1中所示相应的相同部件使用相同的符号，并省略其描述。

在磁致伸缩执行器10c中，为了使施加到棒状磁致伸缩元件11上的静态偏磁场均匀，在磁致伸缩元件11的位移方向(即，棒状磁致伸缩元件11的轴向)上布置多个永久磁铁，且在多个永久磁铁之间具有间隔。例如，如图5所示，在驱动棒13的一侧布置第一永久磁铁142a。另一方面，在固定基板141的一侧布置第三永久磁铁142c。进一步地，在第一和第三永久磁铁142a和142c的中间布置第二永久磁铁142b。每个管状壳体143布置在第一和第二永久磁铁142a和142b之间以及第二和第三永久磁铁142b和142c之间。因而，多个永久磁铁布置在磁致伸缩元件11的位移方向上，且在多个永久磁铁之间具有间隔，从而，向磁致伸缩元件11施加静态偏磁场。

图6示出在第三实施例中的磁通线。从三个永久磁铁142a-142c开始的磁通线穿过管状壳体143，经间隔15、驱动棒13以及固定基板141，而到达永久磁铁142a-142c.这允许在驱动棒13和磁铁142a之间产生磁引力，从而，借助该力向磁致伸缩元件11施加预应力。磁通线的一部分也穿过管状壳体143，经间隔15、驱动棒13、磁致伸缩元件11、以及固定基板141，而到达永久磁铁142。因而，这允许向磁致伸缩元件11施加静态偏磁场。进一步地，永久磁铁142a-142c布置在磁致伸缩元件11的位移方向上，从而，与其中布置一个永久磁铁的第一和第二实施例的每一种情形相比，永久磁铁142a-142c可使施加到磁致伸缩元件11上的静态偏磁场更均匀。

因而，根据第三实施例，与第一实施例一样，有可能显著减少磁致伸缩执行器10c的位移输出损失。进一步地，根据提供给电磁线圈12的控制电流，还有可能获得合适的位移输出，并且，容易减小该执行器的尺寸。另外，有可能使施加到磁致伸缩元件11上的静态偏磁场更均匀。

以下描述本发明第四实施例，其中，与第二实施例一样，密封部件16密封第三实施例的间隔15。图7示出根据本发明第四实施例的磁致伸缩执行器10d的配置。在图7中，与图1中所示相应的相同部件使用相同的符号，并省略其描述。

在磁致伸缩执行器10d的第四实施例中，密封部件16***到第三实施例的间隔15中。对于密封部件16，为了防止磁致伸缩执行器10d所产生的位移输出的损失，与第二实施例一样使用具有柔性的低硬度材料。

因而，根据第四实施例，密封部件16密封间隔15，以防止外部物体***到磁致伸缩执行器的内部，由此避免外部物体***到内部而不利地影响磁致伸缩执行器的操作。

在第一实施例中，磁致伸缩元件11由其组成为Tb_0.33Dy_0.66Fe_1.9的铽-镝-铁(Tb-Dy-Fe)合金制成。此磁致伸缩元件11具有直径1.0mm和长度10mm。驱动棒13和管状壳体143由碳钢S15C制成。每个管状壳体143具有内径4.5mm，外径8.0mm和长度4.0mm。驱动棒13的外径与每个管状壳体143或永久磁铁142a的外径相似。对于永久磁铁142、142a、142b和142c，使用钕-铁-硼(Nd-Fe-B)磁铁，如由NEOMAX MATERIALS Co.，Ltd.制造的磁铁NEOMAX 32H，该磁铁的最大能积BHmax＝32MGOe。它们每一个都具有内径4.5mm，外径8.0mm和长度3.0mm。，并且它们的磁化方向是磁致伸缩元件11的位移方向。如果间隔15设置得具有0.2mm的间隙量，作用到磁致伸缩元件11上的压缩力的计算结果就为1.3×10⁶N/m²。进一步地，在第三实施例中，当每个永久磁铁142、142a、142b和142c的高度都设定为1.0mm时，作用到磁致伸缩元件11上的压缩力的计算结果就为8.0×10⁶N/m²。因而，驱动棒13安装到外壳14上，且具有间隔15，从而，可向磁致伸缩元件11施加压缩力。

如上所述，本发明的磁致伸缩执行器的实施例可用于具有良好响应和很少位移损失的执行器，并优选应用于各个领域，如振动控制设备、定位设备、声音输出设备和泵。

因而，已经描述磁致伸缩执行器。本领域中技术人员应该理解，要在后附权利要求或其等效物的范围之内，根据设计要求和其它因素，可出现各种变更、组合、次组合和替换。

Claims

1.一种磁致伸缩执行器，包括:

位移产生装置，所述位移产生装置产生由具有磁致伸缩性的磁性材料而导致的位移；

移动装置，所述移动装置在位移产生装置的位移方向上移动，所述移动装置与位移产生装置连接，并由铁磁体制成；

向位移产生装置施加磁场的磁场产生装置，所述磁场产生装置布置在位移产生装置周围，所述磁场产生装置是电磁线圈；以及

容纳位移产生装置和磁场产生装置的容纳装置，

其中，磁路形成部件构成容纳装置的一部分，并布置在所容纳的位移产生装置周围，所述磁路形成部件包括铁磁体和用于向位移产生装置施加静态偏磁场的永久磁铁；以及

其中，移动装置被布置为与容纳装置具有间隔，由此允许在移动装置和容纳装置之间产生的磁引力向位移产生装置施加预应力。

2.如权利要求1所述的磁致伸缩执行器，其中，具有柔性的密封部件密封移动装置和容纳装置之间的间隔。

3.如权利要求1所述的磁致伸缩执行器，其中，多个永久磁铁构成容纳装置的一部分，并布置在位移产生装置的位移方向上，所述多个永久磁铁之间具有间隔。